郭麗娜, 宋開(kāi)明, 張延哲, 丁 勇,3
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,哈爾濱 150030;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱 150090;3.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司,石家莊 050000)
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題可分為兩大類(lèi):若已知結(jié)構(gòu)外界輸入,需要通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)或數(shù)值仿真分析研究結(jié)構(gòu)響應(yīng)和性能,此類(lèi)問(wèn)題稱(chēng)為正問(wèn)題;若已知結(jié)構(gòu)響應(yīng),需估計(jì)結(jié)構(gòu)外荷載、識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù),此類(lèi)問(wèn)題統(tǒng)稱(chēng)為反問(wèn)題[1]。動(dòng)力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞常為靜力荷載破壞作用的2倍~4倍。結(jié)構(gòu)外荷載常隨時(shí)間變化且具有復(fù)雜的隨機(jī)性,這使得實(shí)際工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載的識(shí)別問(wèn)題成為工程界亟待解決的問(wèn)題之一。
通過(guò)直接測(cè)量和系統(tǒng)識(shí)別方法評(píng)估兩種方法均可獲得外荷載時(shí)程,但在實(shí)際工程中,直接測(cè)量的方法常受到測(cè)點(diǎn)數(shù)目和測(cè)點(diǎn)位置的限制難以應(yīng)用。因此,通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)外荷載識(shí)別顯得尤為重要。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出多種線(xiàn)性或非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別的系統(tǒng)識(shí)別方法,如最小二乘算法[2]、卡爾曼濾波器算法[3-4]、蒙特卡洛算法[5-7]、以及以損傷因子為目標(biāo)函數(shù)的荷載識(shí)別方法[8]??柭鼮V波器算法是一種有效識(shí)別線(xiàn)性結(jié)構(gòu)參數(shù)的均值方法,對(duì)于線(xiàn)性結(jié)構(gòu)有著較好的估計(jì)效果。為了克服其只能應(yīng)用于線(xiàn)性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的缺點(diǎn),衍生出了等效線(xiàn)性化的近似方法,從而發(fā)展出可用于非線(xiàn)性系統(tǒng)識(shí)別的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。而后為了改善卡爾曼濾波算法對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)的識(shí)別精度,又發(fā)展了無(wú)跡卡爾曼濾波算法等方法,該方法避免了非線(xiàn)性函數(shù)線(xiàn)性化所帶來(lái)的誤差且不用計(jì)算復(fù)雜的雅可比矩陣,具有操作簡(jiǎn)單、濾波精度高及易收斂等優(yōu)點(diǎn)。基于切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)正交多項(xiàng)式分解的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)荷載識(shí)別和參數(shù)識(shí)別方法已得到眾多學(xué)者研究與驗(yàn)證[9-10],在實(shí)際運(yùn)用中具有一定可行性。當(dāng)前,已有一部分學(xué)者通過(guò)數(shù)值仿真分析驗(yàn)證了UKF對(duì)結(jié)構(gòu)體系幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性的適用性[11]。
本文利用基于UKF算法的直接荷載識(shí)別法對(duì)作用于地震模擬振動(dòng)臺(tái)的外部激勵(lì)進(jìn)行識(shí)別,并針對(duì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象的荷載識(shí)別結(jié)果提出了位移-加速度聯(lián)合觀(guān)測(cè)值和噪聲水平自適應(yīng)評(píng)估兩種解決方法,改善了識(shí)別過(guò)程的收斂性,驗(yàn)證了所提方法的合理性和有效性。
假定非線(xiàn)性離散時(shí)間系統(tǒng)的狀態(tài)方程與觀(guān)測(cè)方程滿(mǎn)足以下形式:
xk=f(xk-1,uk-1,k-1)+vk-1
(1)
yk=h(xk,uk,k)+wk
(2)
式中:k∈R為離散時(shí)間,xk∈Rn為n維的隨機(jī)狀態(tài)向量,yk∈Rm為m維觀(guān)測(cè)向量。假設(shè)非線(xiàn)性狀態(tài)方程f(·)和非線(xiàn)性觀(guān)測(cè)方程h(·)在狀態(tài)量xk處連續(xù)并且可微。vk~N(0,Qk)是過(guò)程噪聲,滿(mǎn)足高斯分布,wk~N(0,Rk)為觀(guān)測(cè)噪聲,同樣滿(mǎn)足高斯分布。
無(wú)跡卡爾曼濾波器算法的遞推過(guò)程如下:
(1) 預(yù)測(cè)步:構(gòu)造2n+1個(gè)sigma點(diǎn),準(zhǔn)則如下:
(3)
(4)
(5)
(6)
其中:
(7)
(8)
(9)
(10)
(2) 更新步:利用UT變換和觀(guān)測(cè)量可以計(jì)算得到下一步狀態(tài)量的均值與方差:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
計(jì)算卡爾曼增益并更新?tīng)顟B(tài)量均值與方差得:
(16)
(17)
(18)
式中:yk表示第k步的觀(guān)測(cè)值。
通過(guò)上述步驟的循環(huán)遞推運(yùn)算,可以發(fā)現(xiàn)UKF算法不需要對(duì)非線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性變換,避免了復(fù)雜的雅克比矩陣的運(yùn)算。
由于外部荷載的不確定性及其幅值的時(shí)變性,很難在狀態(tài)空間內(nèi)使用確定性的模型來(lái)表征外部荷載??紤]到荷載時(shí)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,即可以通過(guò)正交分解的辦法將荷載時(shí)程分解成一系列系數(shù)和多項(xiàng)式正交基乘積的線(xiàn)性組合形式,并且這些系數(shù)之間是相互獨(dú)立的。這種分解方法可以對(duì)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行有效的量化擬合,方便建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。
在分解荷載時(shí)程的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)正交基的隨機(jī)過(guò)程分解方法效果很好[12-13],同時(shí)還可以避免求解復(fù)雜的Fredholm積分方程。研究發(fā)現(xiàn),切比雪夫(Chebyshev)分解方法是適用于隨機(jī)輸入正交分解的較準(zhǔn)確的分解方法[14-15]。切比雪夫正交多項(xiàng)分解如下所示:
(19)
式中:Linp是輸入長(zhǎng)度,Nm是分解階數(shù),基于切比雪夫標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式分解,結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)作:
(20)
即基于荷載正交分解的荷載識(shí)別UKF算法的狀態(tài)空間方程可以寫(xiě)作如下:
(21)
式中:狀態(tài)變量k和c的作用是識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和阻尼,如果不需要進(jìn)行識(shí)別,可以移除,即只留下正交展開(kāi)系數(shù)w。
由于間接荷載識(shí)別法需要識(shí)別的參數(shù)很多,并且識(shí)別出來(lái)的只是正交展開(kāi)系數(shù),還需多一步系數(shù)與正交基的乘積求和才能得到待識(shí)別荷載,除此之外項(xiàng)數(shù)的選取也是一個(gè)問(wèn)題,很難統(tǒng)一定論,所以為了減少待識(shí)別的參數(shù)個(gè)數(shù)以及簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程,可以將待識(shí)別的外部荷載直接作為狀態(tài)變量進(jìn)行識(shí)別,即直接荷載識(shí)別法。
假設(shè)有線(xiàn)性離散系統(tǒng)如下:
xk+1=Axk+Bpk+wk
(22)
式中:A和B是系統(tǒng)矩陣,wk(wk∈Rns,0≤k≤∞)是隨機(jī)過(guò)程噪聲,ns是狀態(tài)量個(gè)數(shù)。
為了補(bǔ)充式(22),假設(shè)在時(shí)間k以及k+1處有一個(gè)荷載矢量p∈Rnp:
pk+1=pk+ηk
(23)
式中:ηk是隨機(jī)過(guò)程成分,ηk∈Rnp,0≤k≤∞。通過(guò)合理選擇過(guò)程噪聲ηk的協(xié)方差矩陣,利用式(23)可以估計(jì)荷載時(shí)程。
通過(guò)結(jié)合式(22)和(23),并且重新定義狀態(tài)量xa(上標(biāo)a代表擴(kuò)展)得:
(24)
由此,擴(kuò)展后的狀態(tài)方程為:
(25)
矩陣Aa定義為:
(26)
噪聲矢量ζk∈Rns+np取決于模型誤差wk∈Rns以及荷載隨機(jī)增量ηk∈Rnp:
(27)
含有未知噪聲矢量vk的經(jīng)典離散時(shí)間觀(guān)測(cè)方程由于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)量變?yōu)椋?/p>
(28)
式中:d∈Rnd,代表測(cè)量數(shù)據(jù)矢量;矩陣Ga∈Rnd×(ns+np)是由輸出影響矩陣G和直接轉(zhuǎn)換矩陣J組合而成的:
(29)
于是,擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)量的狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程表達(dá)式為
(30)
式中:用于識(shí)別的系統(tǒng)矩陣A、B、G和J可以根據(jù)不同方法獲得。
本部分所用模型為單自由度滯回非線(xiàn)性模型,如圖1所示,非線(xiàn)性成分采用Bouc-Wen模型模擬,在只考慮結(jié)構(gòu)單方向運(yùn)動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)方程可表示為:
(31)
式中,RT(x,z,t)=αkx+(1-α)kz(t),并有
(32)
式中:z為滯回位移成分;m,c和k分別為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度;α為系數(shù),用來(lái)描述結(jié)構(gòu)滯回特性與彈性程度的比值,取值范圍[0 1]。當(dāng)α取1時(shí),表示屈服后剛度與屈服前剛度相等,即結(jié)構(gòu)為純彈性;當(dāng)α取0時(shí),表示系統(tǒng)總是處于屈服的狀態(tài),即此時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)是純滯回性的。在此算例中取α=0,即:
(33)
圖1 單自由度結(jié)構(gòu)模型
采用的模型參數(shù)取值為:m=0.1 t、c=0.32 kN/(m/s)和k=38 kN/m,非線(xiàn)性參數(shù)取值為:β=4、γ=4和n=2,外部荷載作用在該單自由度質(zhì)量上。其中外荷載考慮了兩種情況,分別為F(t)=A×sin(4×π×t)kN的周期荷載以及沖擊荷載。其中A為在一定范圍內(nèi)線(xiàn)性變化的常數(shù),用來(lái)模擬時(shí)變荷載,假定荷載的作用時(shí)長(zhǎng)是3 s,時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。
模擬過(guò)程中采用的噪聲為百分比噪聲,施加原則如下:
(34)
本算例正問(wèn)題采用四階龍格庫(kù)塔求解,對(duì)于非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)系統(tǒng),通過(guò)狀態(tài)空間方程的形式可以將二階結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程轉(zhuǎn)換為一階運(yùn)動(dòng)微分方程,即:
(35)
當(dāng)采用直接荷載識(shí)別法時(shí),取狀態(tài)量為:
(36)
當(dāng)采用間接荷載識(shí)別法時(shí),取狀態(tài)量為:
(37)
通過(guò)數(shù)值模擬,我們得到仿真結(jié)果,如圖2和圖3所示。
圖2和圖3分別表示無(wú)噪聲和5%噪聲時(shí),周期荷載作用下,兩種識(shí)別方法的識(shí)別結(jié)果。采用范數(shù)相對(duì)誤差對(duì)識(shí)別精度加以考慮:
(a) 直接荷載識(shí)別法-無(wú)噪聲
(b) 間接荷載識(shí)別法-無(wú)噪聲-15階
(c) 間接荷載識(shí)別法-無(wú)噪聲-20階
(a) 直接荷載識(shí)別法-5%噪聲
(b) 間接荷載識(shí)別法-5%噪聲-15階
(c) 間接荷載識(shí)別法-5%噪聲-20階
(38)
圖4和圖5給出了沖擊荷載作用下,兩種識(shí)別方法的對(duì)比情況,并考慮了噪聲的影響。
對(duì)于上述分析結(jié)果,將求得的直接荷載識(shí)別法與間接荷載識(shí)別法的范數(shù)相對(duì)誤差,見(jiàn)表1和表2。
從圖分析結(jié)果可以看出,間接荷載識(shí)別法精度受正交多項(xiàng)式分解階數(shù)的影響較為明顯,一般情況下,當(dāng)正交分解階數(shù)增大時(shí),間接荷載識(shí)別法的精度會(huì)顯著提高,與此同時(shí),外荷載矩陣及協(xié)方差矩陣也隨之增大,因此計(jì)算效率有所降低,由此可見(jiàn),對(duì)間接荷載識(shí)別法,確定恰當(dāng)?shù)恼环纸怆A數(shù)是協(xié)調(diào)識(shí)別精度和計(jì)算效率的重要環(huán)節(jié)。直接荷載識(shí)別法,計(jì)算效率較高,抗干擾能力強(qiáng),但識(shí)別精度不容易控制。綜上,直接荷載識(shí)別法應(yīng)用于單自由度非線(xiàn)性模型荷載識(shí)別的合理性和有效性得以驗(yàn)證。
(a) 直接荷載識(shí)別法-無(wú)噪聲
(b) 間接荷載識(shí)別法-無(wú)噪聲-40階
(a) 直接荷載識(shí)別法-5%噪聲
(b) 間接荷載識(shí)別法-5%噪聲-40階
周期荷載沖擊荷載間接識(shí)別法直接識(shí)別法間接識(shí)別法直接識(shí)別法正交分解階數(shù)1520———3040———范數(shù)相對(duì)誤差/%22.832.271.2414.869.7213.43%
表2 5%噪聲時(shí)范數(shù)相對(duì)誤差
本研究所使用的無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)為所在團(tuán)隊(duì)自主集成研發(fā)。其中,傳感器節(jié)點(diǎn)有各自的物理IP,通過(guò)自身配置的WiFi模塊與無(wú)線(xiàn)路由器連接,PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)或者WiFi連接到路由器上,測(cè)試數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi在線(xiàn)傳輸給PC機(jī)。傳感器能量供應(yīng)方式有兩種:外電源連接和電池連接。無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)工作原理示意圖,如圖6所示。
傳感器節(jié)點(diǎn)主要由加速度傳感器芯片、ARM處理器和WiFi模塊組成,如圖7所示。本系統(tǒng)最大采樣精度12bits,有三種量程±2 G、±4 G、±8 G,可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇,最大采樣頻率800 Hz。該傳感器具有封裝小、功耗低、安裝方便等特點(diǎn)。ARM處理器選用主頻72 MHz,片內(nèi)集成20 KRAM和64K FLASH,以及多達(dá)20個(gè)GPIO,適合用于低成本、低功耗的嵌入式領(lǐng)域。WiFi模塊選用業(yè)界成熟的simple WiFi,支持802.11b/g標(biāo)準(zhǔn),支持AP和STA模式,配置簡(jiǎn)單,安全性高。電源選擇簡(jiǎn)單、安裝方便,集成模塊示意圖如圖8所示。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑐鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和PC之間使用自定義的協(xié)議進(jìn)行通信。PC機(jī)可向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送啟動(dòng)、停止、配置工作模式等命令,傳感器節(jié)點(diǎn)除了響應(yīng)上述命令外,還可以將采集到的數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送給PC。
圖6 無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)工作原理
圖7 傳感器內(nèi)部構(gòu)造示意圖
圖8 集成模塊示意圖
實(shí)驗(yàn)時(shí),傳感器連接無(wú)需大量的導(dǎo)線(xiàn)連接,與常規(guī)的有線(xiàn)連接測(cè)試相比,安裝方便,節(jié)省了大量的布線(xiàn)時(shí)間。在成本方面,本系統(tǒng)無(wú)需傳統(tǒng)的電荷放大器和采集儀,大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。本系統(tǒng)的使用還可避免導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)以及連接因素等導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)的污染。
由于振動(dòng)臺(tái)[16]的臺(tái)面剛度很大,為了計(jì)算方便,將其計(jì)算模型簡(jiǎn)化為單自由度結(jié)構(gòu)。對(duì)抗震實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行空臺(tái)加載,通過(guò)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面位移,利用UKF算法識(shí)別地震模擬振動(dòng)臺(tái)的剛度和阻尼參數(shù),其中外部激勵(lì)荷載選取El-Centro(NS, 1940)地震波,并且假定為已知力。振動(dòng)臺(tái)質(zhì)量已知且假定保持不變,將待識(shí)別參數(shù)初始值,見(jiàn)表3。
表3 待識(shí)別參數(shù)初始值
參數(shù)識(shí)別結(jié)果,如圖9所示。
從圖9可以看出,地震模擬振動(dòng)臺(tái)的剛度約為45.553 3 kN/m,阻尼約為1.540 1 kN/(m/s)。加速度實(shí)驗(yàn)值與位移實(shí)驗(yàn)值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到,且與識(shí)別值吻合較好,說(shuō)明剛度與阻尼識(shí)別值可信度較高。
在上述已識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上,假定外部激勵(lì)即El-Centro地震波未知。僅以加速度(分別用無(wú)線(xiàn)傳感器和有線(xiàn)傳感器測(cè)得)為觀(guān)測(cè)值,利用直接荷載識(shí)別法進(jìn)行外荷載識(shí)別,識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖10。
(a) 剛度識(shí)別結(jié)果
(b) 阻尼識(shí)別結(jié)果
(c) 位移識(shí)別結(jié)果
(d) 加速度識(shí)別結(jié)果
(a) 基于無(wú)線(xiàn)加速度的識(shí)別結(jié)果
(b) 基于有線(xiàn)加速度的識(shí)別結(jié)果
從圖10可以看出,僅以加速度作為觀(guān)測(cè)值進(jìn)行外部荷載識(shí)別會(huì)導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果漂移,這是由于加速度值積分過(guò)程將造成誤差累積,從而使識(shí)別過(guò)程不穩(wěn)定,識(shí)別結(jié)果收斂性差。
針對(duì)上述漂移現(xiàn)象,我們提出了兩種解決途徑:
(1) 加速度與位移聯(lián)合作為觀(guān)測(cè)值
由于我們直接從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得加速度值與位移值,位移值會(huì)對(duì)加速度值積分的累積誤差加以約束,從而改善了識(shí)別過(guò)程的收斂性。從識(shí)別結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn),聯(lián)合位移-加速度響應(yīng)下的漂移現(xiàn)象有了明顯改善;無(wú)線(xiàn)加速度傳感器要優(yōu)于有線(xiàn)加速度傳感器,因?yàn)橛芯€(xiàn)加速度傳感器的接口部位容易擾動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生較大的噪聲干擾。
(a) 基于無(wú)線(xiàn)加速度-位移的識(shí)別結(jié)果
(b) 基于有線(xiàn)加速度-位移的識(shí)別結(jié)果
Fig.11 Identified results of external force based on acceleration and displacement
(2) 噪聲水平的自適應(yīng)評(píng)估
噪聲水平的自適應(yīng)評(píng)估指的是將過(guò)程噪聲和觀(guān)測(cè)噪聲與原始狀態(tài)量一起組合成一個(gè)新的狀態(tài)量,因?yàn)楫?dāng)噪聲太大時(shí),UKF識(shí)別的精度不高,而且不易收斂,通過(guò)將噪聲引入到狀態(tài)量中,實(shí)現(xiàn)噪聲水平的自適應(yīng)評(píng)估,可以確保UKF識(shí)別過(guò)程的穩(wěn)定性和魯棒性。新的狀態(tài)量如下所示:
(39)
其中增廣的狀態(tài)協(xié)方差矩陣變?yōu)椋?/p>
(40)
除了由增廣噪聲構(gòu)建的新的狀態(tài)量和增廣狀態(tài)協(xié)方差矩陣的不同之外,其余計(jì)算流程均和上述UKF算法一致,且只使用加速度作為觀(guān)測(cè)值。從識(shí)別結(jié)果可以看出增廣噪聲法改善了識(shí)別結(jié)果的穩(wěn)定性與收斂性,且無(wú)線(xiàn)加速度識(shí)別優(yōu)于有線(xiàn)加速度識(shí)別。
(a) 使用無(wú)線(xiàn)加速度的識(shí)別結(jié)果
(b) 使用有線(xiàn)加速度的識(shí)別結(jié)果
本文從基于UKF算法的兩種荷載識(shí)別方法出發(fā),首先對(duì)單自由度滯回非線(xiàn)性剪切模型進(jìn)行仿真,分別利用直接荷載識(shí)別法和基于荷載正交分解的間接荷載識(shí)別法對(duì)該模型進(jìn)行兩種外荷載識(shí)別,分別為周期荷載和沖擊荷載。驗(yàn)證了直接荷載識(shí)別法應(yīng)用于單自由度非線(xiàn)性模型荷載識(shí)別的合理性和有效性。而直接荷載識(shí)別法對(duì)于多自由度非線(xiàn)性模型仍是適用的,課題組人員正在從事相關(guān)領(lǐng)域的研究。隨后利用直接荷載法對(duì)作用于地震模擬振動(dòng)臺(tái)上的未知地震波進(jìn)行識(shí)別,并針對(duì)識(shí)別結(jié)果發(fā)生漂移的現(xiàn)象提出了兩種直接擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)量的荷載識(shí)別方法,識(shí)別結(jié)果顯示,兩種方法對(duì)荷載識(shí)別的漂移現(xiàn)象有著明顯的改善。